Autor | M. Martínez Euklidiadas
La piezoelectricidad se perfila junto a los paneles fotovoltaicos como uno de los mecanismos con más potencial en la generación de energía urbana. Distribuida, limpia, usa la energía mecánica de los ciudadanos al andar para potenciar todo tipo de elementos urbanos, desde luminarias a dispositivos edge computing o IoT. Con el consumo eléctrico en alza, este es un medio más para cubrir la demanda de componentes electrónicos de bajo consumo.
¿Qué es la piezoelectricidad y en qué consiste?
La piezoelectricidad es un fenómeno físico mediante el cual cristales estresados mecánicamente generan diferencias de potencial. El cuarzo es uno de esos cristales piezoeléctricos. Al compactarlo o estirarlo, genera una diferencia leve de potencial eléctrico entre sus extremos al reorganizar sus cargas. Si se conecta un cable entre ellos, se puede formar una microcorriente aprovechable.
¿Quién descubrió la piezoelectricidad?
El hecho de que la piezoelectricidad sea una tecnología aún en desarrollo y casi emergente podría dar a pensar que se trata de un desarrollo moderno, pero nada más lejos de la realidad. El fenómeno fue teorizado hace más de siglo y medio por René Just Haüy y Antoine César Becquerel al estudiar el efecto pirolítico, proceso mediante el cual un material puede generar potencial eléctrico a través del cambio de la temperatura, pero no pudieron demostrar su funcionamiento.
Con todo, la primera demostración de la piezoelectricidad no llegaría hasta un siglo después. Los hermanos Pierre Curie y Jacques Curie descubrieron que aplicar presión en cristales como el cuarzo, el topacio, la turmalina o incluso el azúcar generaba cargas eléctricas en su superficie.
Durante largos años la piezoelectricidad fue una mera curiosidad, hasta que con el estallido de la Primera Guerra Mundial se impulsó de forma extraordinaria el conocimiento científico. El sonar, fabricado inicialmente con cristales de cuarzo, fue una de sus primeras aplicaciones prácticas.
¿Cómo funciona la piezoelectricidad?
Como cualquier otro tipo de corriente eléctrica, la energía generada mediante piezoelectricidad es aprovechable, pero su cantidad es muy limitada; se mueve en el orden de 20 vatios (en comparación, un teléfono móvil carga a unos 15 vatios). Para aprovechar esta electricidad es necesario colocar generadores eléctricos en lugares de mucho tránsito, como la recepción de un edificio, el andén de una estación de metro o el área de musculatura de un gimnasioPara evitar pérdidas por grandes distancias, la energía canalizada con este sistema se consume muy cerca del punto de generación. A menudo a pocos metros de distancia. Por ejemplo, puede alimentar la corriente para los equipos de telefonía cercanos.
¿Es eficiente esta tecnología al producir tan poco?
Lo cierto es que los mecanismos piezoeléctricos son bastante robustos y lo suficientemente básicos como para que su durabilidad sea elevada. Además, el coste energético de fabricar estos paneles, frente a elementos habituales como la cerámica (11,1 MJ/kg), no es alto.
Supongamos que uno de estos paneles tiene una cubierta de hormigón convencional (1,3 MJ/kg) y pesa unos 5 kg. Esos 6,5 MJ (6.500.000 J) parecen mucho, pero incluso con una generación de 10 W (10 J/s) se tardarían solo 650.000 segundos en amortizar la inversión energética. Son 180 horas de pisadas, algo irrisorio comparado con los años o décadas que puede durar.
Sí, en este cálculo habría que incluir piezas mecánicas y metálicas, quizá doblando o triplicando esas horas de amortización. Pero siguen muy por debajo de la vida útil del generador. Es una apuesta urbana inteligente.
¿Para qué podría usarse la energía piezoeléctrica?
Es importante pensar en aplicaciones de baja energía. Además de para encender mecheros, la piezoelectricidad ya se usa en proyectos piloto en el que el pavimento genera energía suficiente como para mantener las luces encendidas (Pavegen).
Otras marcas, como la israelí Innowattech y la californiana Pyro-e buscan extraer la energía del movimiento de los vehículos en carretera. El mecanismo es el mismo, pero es el coche el que genera energía.
El rol de la piezoelectricidad en la sensorización de la ciudad inteligente
Un medio rural con baja densidad de población parece un lugar poco propicio para la piezoelectricidad (en este caso es más apropiado un suelo solar), a diferencia de ciudades densas.
Es precisamente en las ciudades donde el big data que relaciona el movimiento de los ciudadanos con sus servicios cobra especial relevancia, donde más datos se consumen o donde más servicios edge computing existen. Estos servicios, al igual que la virtualización de red de los operadores, ‘acercan’ los servicios de internet a los usuarios, consumiendo más cerca de ellos y menos en servidores al otro lado del mundo. Y es necesario darles energía.
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